Как выглядит германий

Рыночная цена на германий меняется довольно сильно. В 1997 году она составляла примерно 3000 долларов за килограмм (для германия полупроводниковой чистоты), в 2003 году килограмм стоил всего 380 долларов, а в 2005 году его цена выросла до 610 долларов. Текущая рыночная цена за килограмм германия высвечивается в верхнем правом углу страницы.

Источник: periodictable.ru

Германий. Что это и как использовать.

Германий — редкий полуметаллический элемент серо-белого цвета, нашедший применение в полупроводниковой промышленности.

2021. Плюсы и минусы жизни в Германии.

Открыт в 1886 году немецким химиком Клеменсом А. Винклером и назван в честь его родины. Интересно, что его существование предсказал создатель периодической таблицы элементов, русский химик Дмитрий Иванович Менделеев, назвавший его «экасилицием» и относительно точно определивший физико-химические свойства этого тогда еще неизвестного элемента.

Фото из открытых источников

В твердом состоянии германий ведет себя как полупроводник как в кристаллической, так и в аморфной фазах. С другой стороны, в жидком состоянии германий представляет собой металл, подобный, например, ртути.
Германий не встречается в коммерческих количествах в виде самородной руды, а производится как побочный продукт переработки цинка с меньшим количеством переработки меди.
Интерес к германию возник в 1950-х годах, когда были изготовлены первые транзисторы и другие электронные компоненты на основе высокочистого германия.
В последующие десятилетия германий был вытеснен кремнием, который встречается в природе в значительно больших количествах, но необходимо было разработать способы его промышленного производства с чистотой не менее 99,9999 %. Однако германий по-прежнему используется для производства некоторых видов полупроводниковых диодов.

Фото из открытых источников

В наше время германий используется в производстве полупроводников в виде германида кремния (SiGe) для производства интегральных схем с высокой скоростью передачи сигнала.
Германий также является частью цепей, реагирующих на электромагнитные волны в инфракрасной области спектра. Поэтому используется в радиолокационной технике. Сейчас это использование сокращается в пользу приложений в оптике.
Германий имеет применение в производстве световодной оптики, так как присутствие в материале оптических волокон увеличивает показатель преломления материала.
Это свойство также используется при производстве специальных оптических компонентов, таких как объективы для камер с широким углом обзора или оптика для обработки сигналов в инфракрасной области спектра (например, в приборах ночного видения).

Германия. Интересные факты о Германии.

Диоксид германия GeO2 также позволяет создавать оптическое стекло с высоким светопреломлением. Он имеет большое значение как катализатор в производстве полимеров (пластиков), но его также можно заменить титаном.
Германиевые термогенераторы (из кремний-германиевого сплава) преобразуют тепло в электричество.
Интересными свойствами обладают германиевые сплавы – сплав с золотом (т.н. ювелирный припой) расширяется при охлаждении, сплав с медью и золотом пригоден в стоматологии. Гранатоиды гадолиния-германия (ГГГ) используются в лазерной технике.

Фото из открытых источников

Первый работающий полупроводниковый транзистор с точечным контактом изобретен в 1947 году американскими физиками Джоном Бардином и Уолтером Браттейном во время работы под руководством Уильяма Шокли в компании Bell Labs. За изобретение транзистора получили Нобелевскую премию по физике 1956 года. Термин «транзистор» был придуман инженером и писателем Джоном Робинсоном Пирсом.

Фото из открытых источников

Первые монокристаллические полупроводниковые устройства, которые стали коммерчески доступными, в частности оригинальные транзисторы, сделаны в Германии. За исключением нескольких устройств, используемых для специальных целей, таких как туннельные диоды, все германиевые устройства в основном представляют только исторический интерес.
Ранние диоды, выпрямители, силовые диоды и высокочастотные детекторы основаны на работе электронно-дырочного p – n перехода. Одним из устройств, в котором до сих пор используется германий, является туннельный диод, имеющий отрицательное сопротивление на своей прямой характеристике, прежде чем принимает нормальную проводимость. В этом случае как n, так и p — материалы настолько сильно легированы, что валентная зона и зона проводимости перекрываются по энергии, и происходит прямое межзонное туннелирование.
Транзистор оригинального изобретения был сформирован путем прижатия двух тонких остроконечных легированных проводов к блоку поликристаллического германия n — типа на расстоянии нескольких миллиметров друг от друга и соединения проводов с германием. Это устройство продемонстрировало коэффициент усиления по току больше единицы, но, как правило, не подходило для массового производства.
Следующий тип транзистора был основан на всеобъемлющей теории переходных транзисторов Шокли и был известен как транзистор с выращенным переходом. В этом методе примеси p, а затем n — типа (или n и p) последовательно вводят в соответствующим образом легированный расплав германия по мере вытягивания из него кристалла таким образом, чтобы получить три узко разделенных n-p-n (или p–n–p) слоев, из которых изготовлен транзистор. Они работали хорошо, но подходили только для использования на низких частотах ниже мегагерцового диапазона.
Легированное соединение. В этой форме транзистора две кнопки из индия для p-n-p сплавлены на противоположных сторонах тонкого слоя германия n — типа, чтобы сформировать транзистор. Правильный выбор ориентации кристаллов обеспечивает параллельность передних поверхностей кнопок из сплава. Это был первый недорогой коммерчески успешный транзистор.

Его можно было использовать как для коммутации, так и для усиления, хотя частотная характеристика оставалась низкой. Эти устройства все еще производятся, но в небольшом количестве.
Диффузная основа. С появлением диффузионных технологий стали доступны надежные высокочастотные транзисторы. Мышьяк был диффундирован в германий (с очень жесткими допусками), чтобы сформировать основу или центральный слой транзистора. В верхнюю часть был вплавлен алюминий, чтобы сформировать излучатель или область ввода.

Нижний коллекторный слой или выход был исходным материалом. Стала доступной гигагерцовая производительность, а надежность достигла такого уровня, что эти устройства использовались в подводных кабелях и в первых американских спутниках Vanguard и Telstar.
Германий в качестве германата висмута использовался в 1980-х годах в гамма-камерах в ядерной медицине.

Фото из открытых источников

Детекторы излучения (литиевые дрейфовые). Некоторые из наиболее интересных применений германия сегодня лежат в области детекторов и датчиков. Особенно успешным устройством оказался литиевый дрейфовый детектор. Это p-i-n-структура, в которой широкая i-я, или собственная, область скомпенсирована. Литий осаждается на сверхчистый германий р-типа и немного диффундирует в него.

Тогда при температуре ниже 60 °C литий будет дрейфовать под действием приложенного поля и будет стремиться компенсировать присутствующие акцепторные примеси. Таким образом, сформирована внутренняя область. Ширина может быть несколько сантиметров. Для сохранения характеристик хранение должно осуществляться при температуре жидкого азота.

При работе пара дырка-электрон создается в области i при затрате энергии около 3 эВ (4,8 х 10-19 Дж). Детектор имеет полезный диапазон от 10 кэВ (1,6 х 10-15 Дж) до нескольких мегаэлектронвольт.
Датчики температуры. Поскольку коэффициент Зеебека для германия очень высок (около 400 мкВК-1), он должен стать очень хорошим тепловым детектором. Его чувствительность как минимум в пять раз выше, чем у обычно используемых материалов. Тонкие пленки германия образуют один элемент термопары в сверхчувствительных датчиках температуры.
Тензометрические датчики. Германий проявляет очень значительный пьезоэлектрический эффект и, следовательно, является очень чувствительным тензодатчиком. Кристаллы с тонкими нитями показывают чувствительность как минимум на два порядка выше, чем обычные металлические датчики.
Солнечные батареи. Поскольку ширина полосы между валентной зоной и зоной проводимости германия составляет всего 0,67 эВ (1,072 х 10-19 Дж) по сравнению с 1,2 эВ (1,92 х 10-19 Дж) кремния, германий используется в качестве сопутствующего солнечного элемента для использоваться с кремнием для сбора длинноволнового солнечного излучения и преобразования его в полезную электрическую энергию.

Источник: dzen.ru

Химический элемент германий (Ge) — состав, характеристика и основные свойства

Химия охватывает практически все аспекты жизни человека. Знания в этой области помогают справляться с разными жизненными ситуациями. Кроме того, школьный предмет даёт возможность некоторым реализовать себя в той или иной профессии, связанной с такой наукой. Для начала учеников знакомят с таблицей Менделеева. Многие вещества интересны своей историей и характеристиками, например, химический элемент германий.

История происхождения

В 1869 году русский химик Д. И. Менделеев заявил, что в природе должно существовать несколько элементов, которые всё ещё не найдены людьми. Его идея была связана с Периодической таблицей, по которой между некоторыми веществами находились пробелы. Один из элементов он назвал экасилиций. Менделеев считал, что по свойствам это вещество похоже на кремний.

В 1886 году в Фрейбергской академии наук открыли новый минерал, который назвали аргиродит. Профессор К. Винклер тщательно изучил его и нашёл в его составе неизвестный элемент. Вскоре он раскрыл его свойства и несколько соединений. Винклер пришёл к выводу, что это и есть то самое вещество, названное Менделеевым экасилиций. Сначала химик хотел назвать его нептунием, но это наименование дали другому предполагаемому веществу, поэтому элемент получил название Germanium в честь родины Винклера.

До второй половины XX века германий почти не применялся в промышленности. Только во время Второй мировой войны элемент стали использовать в диодах и других электронных устройствах.

Местонахождение и получение

В чистом виде химический элемент не встречается в природе. Обычно его можно отыскать в качестве примесей в разных полезных ископаемых. Общий объём вещества по массе в земной коре планеты составляет около 1,5⋅10−4%. Редко металл встречается в собственных минералах (сульфосолях):

• германит;
• плюмбогерманит;
• конфильдит;
• рениерит;
• стоттит;
• аргиродит.

В основном германий добывают из горных пород и различных минералов таких, как железные руды, сульфидные руды цветных металлов, базальт, диабаз, магнетит, рутил, хромит, гранит. В больших объёмах вещество содержится в некоторых сфалеритах. Примеси германия присутствуют почти во всех силикатах и некоторых месторождениях каменного угля и нефти.

Химический элемент распространён практически по всей планете. Однако промышленных месторождений этого металла нет ни в одной стране. Небольшое количество элемента, содержащегося в его минералах, не может покрыть потребность современной промышленности в этом редком, но важном веществе.

Германий можно получить несколькими методами. Основной способ заключается в применении сульфида металла, который перерабатывают до получения оксида GeO2 и затем освобождают элемент с добавлением водорода. В промышленной области материал выходит в побочных продуктах после переработки руд цветных металлов или золы от сжигания угля.

Физические особенности

Германий относится к 14-й группе 4 периода в таблице Менделеева. Его порядковый номер — 32, обозначение — Ge. В виде простого вещества германий выглядит как хрупкий полуметалл стального или серебристого оттенка. Материал характеризуется металлическим блеском. Элемент относится к непрямозонным полупроводникам.

Валентность металла в разных соединениях может быть II или IV; электронная формула германия (конфигурация) — 1s22s22p63s23p63d104s24p2. Следует узнать и о строении атома элемента. Он включает 32 протона и 41 нейтрон. По четырём орбитам движутся 32 электрона.

В нормальном состоянии атом элемента характеризуется двумя s-парными и двумя p-парными отрицательно заряженными частицами, поэтому вещество может образовывать две химические связи. В возбуждённом состоянии один из s-электронов покидает свою орбиталь и переходит на свободное место на p-подуровне. Поскольку образуется 4 неспаренных электрона, германий способен образовывать 4 связи по обменному механизму.

Основные физические свойства элемента:

• температура плавления — 938,2 °C;
• температура кипения — 2850 °C;
• плотность — 5,33 г/см³;
• молярный объём — 13,6 см³/моль;
• атомная масса — 72,6 а. е. м.;
• молярная теплоёмкость — 23,32 Дж/К·моль.

При нормальных условиях кристаллическая решётка элемента алмазная, или кубическая. У полуметалла есть необычное физическое свойство: германий считается одним из редких аномальных веществ, у которых при плавлении увеличивается показатель плотности. Кроме того, при повышении температуры возрастает почти в 13 раз удельная проводимость германия, однако при достижении 1100 °C она падает.

Химическая природа

В соединениях металл проявляет степень окисления +4, +2 или -4. Если рассматривать химические свойства германия, вещество напоминает кремний. При нормальных условиях он устойчив к воздействию воздуха, воды, щелочей и кислот. Германий способен растворяться в царской водке и в щелочном растворе пероксида водорода.

На воздухе при 500−700 °C металл окисляется до оксидов. Производные кислоты элемента представлены твёрдыми веществами, которые характеризуются высокими температурами плавления. Их можно получить путём сплавления оксидов германия.

При реакции с галогенами металл образует тетрагалогениды. Легче процесс проходит с фтором и хлором. Тетрахлорид получают при хлорировании германия в твёрдом состоянии или при реакции его оксида (GeO2) с концентрированной соляной кислотой. При гидролизе дигалогенидов элемента получается гидроксид. Монооксид можно получить при нагревании металла с его диоксидом.

Взаимодействуя с серой при температуре 1000 °C, германий образует дисульфид, который представлен твёрдым веществом белого цвета. При нагревании до 1100 °C металл незначительно реагирует с водородом. В результате получается малоустойчивое соединение гермин. При воздействии на германий аммиака образуется нитрид. С углеродом элемент не взаимодействует.

Также вещество способно образовывать металлорганические (например, тетраэтилгерман) и комплексные соединения с гидроксилсодержащими органическими молекулами (многоосновные кислоты, многоатомные спирты).

Сферы использования

Поскольку германий выступает полупроводником, он широко применяется в электронике и технике при создании микросхем и транзисторов. Сплавы металла необходимы при изготовлении датчиков и детекторов, а его диоксид применяется для производства стёкол, пропускающих инфракрасное излучение. Элемент используют в радарных установках в качестве сопротивления.

Германий используют при создании призм и линз инфракрасной оптики. Без материала не обходятся оптоволоконные системы и полупроводниковые диоды. Элемент применяется при измерении низких температур и обнаружении инфракрасного излучения. Диоды и триоды на основе вещества используются в телевизорах, радиоприёмниках и счётно-решающих средствах.

Влияние на здоровье человека

Германий в незначительном объёме обнаружен в организме человека. Пока учёные не смогли установить, в каком количестве должен присутствовать этот элемент в составе тканей и крови. Металл практически полностью усваивается человеческим организмом. Излишки микроэлемента выводятся через почки. Также не выявлено, какие вещества могут улучшить или ухудшить его поглощаемость.

Специалистам удалось открыть в металле некоторые лечебные свойства. Германий оказывает положительное воздействие на здоровье человека:

• Вещество транспортирует кислород к тканям.
• Элемент замещает свойства пониженного гемоглобина.
• Германий укрепляет иммунную систему, подавляет размножение вредных бактерий и стимулирует выработку противомикробных клеток.
• Металл выступает антиоксидантом, предотвращая образование опухолей.
• Вещество способно подавлять болезненные ощущения.

Но у германия есть не только плюсы. Среди минусов следует отметить, что большие дозировки этого вещества представляют опасность для организма человека и могут вызвать отравление.

Обычно такие последствия вызывает вдыхание паров чистого металла и его оксидов на производственных мероприятиях. После перорального приёма больших дозировок германия может наблюдаться раздражение кожного покрова или нарушение работы почек и печени. Очистить организм от избытка элемента необходимо с помощью симптоматического лечения с сорбентами. Из-за недостатка германия возможно развитие остеопороза.

Поддерживать необходимый уровень элемента в организме помогут следующие продукты:

• бобовые;
• молоко;
• грибы;
• лосось;
• чеснок;
• корень женьшеня;
• томатный сок.

В Японии производят добавки с германием для поддержания здоровья. Поскольку это вещество ещё недостаточно изучено, средство пока не получило массового распространения. В начале XXI века в России начали выпускать БАД «Гермавит». Добавку выписывают для укрепления иммунной и костной систем, а также для защиты от кислородного голодания.

Занимательные факты

Любой химический элемент отличается определёнными особенностями и свойствами, которые не характерны для других веществ. О германии имеется немало интересных фактов:

• Хотя элемент относится к группе металлов, по хрупкости его можно сравнить со стеклом. Если его уронить, он может разбиться.
• Германий может быть не только серебристого оттенка. Его цвет зависит от метода обработки. В некоторых случаях металл имеет стальной окрас, а иногда получается практически чёрным.
• Элемент обнаружен на поверхности солнца и в упавших с космоса метеоритах.
• Практически все свойства и характеристики вещества, которые предсказал Менделеев, оказались на удивление точными.
• Около 500 тонн элемента, что составляет половину разведанных запасов металла, скрыто в недрах США. Почти 400 тонн обнаружено в Китае.
• Элемент способен проводить ток не только в стандартном виде, но и в твёрдых растворах.
• Цена слитка германия и золота практически одинаковая.
• Плёнка из германия и ниобия, имеющая толщину несколько тысяч атомов, может сохранять сверхпроводимость даже при температуре 23,2 °К и ниже.
• Ни одно из полученных элементоорганических соединений этого металла не ядовито.

Ежегодно специалисты открывают новые свойства веществ, которые могут повлиять на дальнейшее развитие технологий. Возможно, что в скором будущем германию найдут широкое применение не только в промышленности, но и в области медицины.

Похожие записи:

1. Кристаллогидраты — формула, свойства и применение соединений
2. Как создавалась периодическая таблица химических элементов Д.И. Менделеева
3. Таблица электроотрицательности химических элементов с примерами ряда
4. Скорость химической реакции – влияющие факторы природы (8 класс)

Источник: kupuk.net